壓電材料、壓電器件和電子裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及壓電材料。具體地，其涉及不含鉛的壓電材料。本發(fā)明也涉及使 用該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲波馬達(dá)、光學(xué)裝置、振動 裝置、除塵器件、攝像裝置和電子裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 含鉛的鋯酸鈦酸鉛是壓電材料的代表例并且用于各種壓電元件例如致動器、振蕩 器、傳感器和濾光器。一旦將含鉛的壓電元件廢棄并且暴露于酸雨中，壓電材料中的鉛成分 可能浸入土地中并且毀壞生態(tài)系統(tǒng)。因此，為了制造不含鉛的壓電元件，已積極地進(jìn)行不含 鉛的壓電材料的開發(fā)和研宄。
[0003] 最廣泛研宄的不含鉛的壓電材料的代表例是含有鈮酸鉀的壓電材料。但是，合成 含鉀的壓電材料中，由于原料粉末（例如碳酸鉀粉末）的高吸濕性，因此難以將原料粉末精 確地稱量到所需的摩爾比。而且，含有鈮酸鉀（KNbO3)的壓電材料是潮解的并且已存在含 有鈮酸鉀的壓電陶瓷的壓電性隨時間的經(jīng)過而劣化的情形。
[0004] NPL1報道了不含鉛或鉀的壓電材料。該壓電材料是鈮酸鈉（NaNbO3)和鈦酸鋇 (BaTiO3)的固溶體（以下將該固溶體稱為"NN-BT"）。NPL1報道了以9 : 1的比例含有 鈮酸鈉和鈦酸鋇的壓電陶瓷的壓電常數(shù)d33為147pC/N。
[0005] PTL1提供具有高居里溫度Tc和良好的壓電性能的鈮酸鹽基壓電陶瓷的制備方 法。PTL1公開了作為NN-BT和鈦酸鍶（SrTiO3)的固溶體的鈮酸鹽基壓電陶瓷的壓電常數(shù) d33 為 14-126pm/V。
[0006] 引用列表
[0007] 專利文獻(xiàn)
[0008]PTL1 :日本專利公開No. 2008-156172
[0009] 非專利文獻(xiàn)
[0010] NPLI:J.T.Zeng等，"JournaloftheAmericanCeramicSociety" 2〇〇6,第 89 卷，第 2828-2832 頁

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 技術(shù)問題
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)的問題在于NN-BT的壓電性能不足。
[0013] 本發(fā)明提供壓電材料，其不含鉛和鉀，具有高壓電常數(shù)，并且顯示良好的絕緣性。 還提供包括該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲波馬達(dá)、光學(xué)裝 置、振動裝置、除塵器件、成像裝置和電子裝置。
[0014] 問題的解決方案
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的壓電材料包括：由下述通式（1)表示的鈣鈦礦型金屬氧 化物：
[0016] (NaxBa1^y) (NbyTi1^y)O3 (I)
[0017](其中0? 80SX< 0? 95和0? 85 <y< 0? 95)，和輔助成分，該輔助成分含有選自 Si和B中的至少一種?；诮饘儆?，該輔助成分的含量為0. 001重量份-4. 000重量份，相 對于100重量份的該鈣鈦礦型金屬氧化物。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的壓電元件包括第一電極、壓電材料部和第二電極。該壓 電材料部含有上述的壓電材料。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的多層壓電元件包括兩個以上的壓電材料層和包括一個 以上的內(nèi)部電極的電極層。將該壓電材料層和該電極層交替地層疊并且該壓電材料層含有 上述的壓電材料。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的排液頭包括液室和與該液室連通的排出口，該液室包括 振動單元，該振動單元包括上述的壓電元件或多層壓電元件。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的排液裝置包括用于接受對象的載物臺和上述的排液頭。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的超聲波馬達(dá)包括振動體和用于與該振動體接觸的移動 體，該振動體包括上述的壓電元件或多層壓電元件。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的光學(xué)裝置包括驅(qū)動單元，該驅(qū)動單元包括上述的超聲波 馬達(dá)。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的振動裝置包括振動體，該振動體包括上述的壓電元件或 多層壓電元件。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的除塵器件包括振動單元，該振動單元包括上述的振動裝 置。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的攝像裝置包括上述的除塵器件和攝像元件單元。將該除 塵器件的振動部件設(shè)置在該攝像元件單元的受光表面?zhèn)取?br>[0027] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電子裝置包括壓電聲部件，該壓電聲部件包括上述的壓 電元件或多層壓電元件。
[0028] 本發(fā)明的有利效果
[0029] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供不含鉛和鉀并且具有高的壓電常數(shù)和良好的絕緣性能的壓 電材料。也能夠提供使用該壓電材料的壓電元件、多層壓電元件、排液頭、排液裝置、超聲波 馬達(dá)、光學(xué)裝置、振動裝置、除塵器件、攝像裝置和電子裝置。
[0030] 本發(fā)明的壓電材料不含鉛，因此對環(huán)境的影響低。而且，由于不含鉀，因此燒結(jié)性 和耐濕性也高。
【附圖說明】
[0031] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的壓電元件的示意圖。
[0032] 圖2A和2B是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的多層壓電元件的橫截面示意圖。
[0033] 圖3A和3B是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的排液頭的示意圖。
[0034] 圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的排液裝置的示意圖。
[0035] 圖5是表示排液裝置的示意圖。
[0036] 圖6A和6B是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的超聲波馬達(dá)的示意圖。
[0037] 圖7A和7B是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的光學(xué)裝置的示意圖。
[0038] 圖8是表示光學(xué)裝置的示意圖。
[0039] 圖9A和9B是表示用作除塵器件的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的振動裝置的示意圖。
[0040] 圖10A-10C是用于除塵器件的壓電元件的示意圖。
[0041] 圖IlA和IlB是表示除塵器件的振動原理的示意圖。
[0042] 圖12是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的攝像裝置的示意圖。
[0043] 圖13是攝像裝置的示意圖。
[0044] 圖14是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電子裝置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 現(xiàn)在對本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行說明。
[0046] 根據(jù)實(shí)施方案，提供壓電材料，其基于NN-BT，不含鉛或鉀并且顯示良好的壓電性 和絕緣性能。通過利用其介電性能，該壓電材料能夠用于各種器件例如電容器、存儲器和傳 感器。
[0047] 根據(jù)實(shí)施方案的壓電材料含有由下述通式（1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物和選 自Si和B中的至少一種輔助成分：
[0048] (NaxBah) (NbyTih)O3 ⑴
[0049]其中 0? 80 彡X彡 0? 95 和 0? 85 彡y彡 0? 95。
[0050] 相對于100重量份的該鈣鈦礦型金屬氧化物，該輔助成分的含量為0. 001重量 份-4. 000重量份，基于金屬計。
[0051] 為了本發(fā)明的目的，"鈣鈦礦型金屬氧化物"是指具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的金屬氧化 物，其理想地為立方晶體結(jié)構(gòu)，如IwanamiRikagakuJiten，第5版（由IwanamiShoten Publishers于1998年2月20日出版）中定義那樣。具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的金屬氧化物通常 由化學(xué)式ABO3表示。鈣鈦礦型金屬氧化物的元素A和元素B分別以離子的形式占據(jù)稱為A 位點(diǎn)和B位點(diǎn)的晶胞中的特定位置。例如，立方晶體的晶胞中，元素A占據(jù)立方體的頂點(diǎn)和 元素B占據(jù)立方體的體心。元素0為氧陰離子并且占據(jù)立方體的面心位置。
[0052] 由上述通式（1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物（以下可簡稱為"金屬氧化物"）含有 Na和Ba作為占據(jù)A位點(diǎn)的金屬元素以及Nb和Ti作為占據(jù)B位點(diǎn)的金屬元素。Na和Ba 原子中的一些也可占據(jù)B位點(diǎn)并且Ti和Nb原子中的一些也可占據(jù)A位點(diǎn)。
[0053] 通式（1)中B位點(diǎn)元素與元素0的摩爾比為1 : 3。該摩爾比可輕微地偏離該比 例（例如，1.00 : 2. 94至1.00 : 3. 06)，只要金屬氧化物具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)作為主相。這 樣的氧化物仍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。能夠通過采用X射線衍射、電子束衍射等的結(jié)構(gòu)分析來 確認(rèn)金屬氧化物具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的事實(shí)。
[0054] 對根據(jù)實(shí)施方案的壓電材料的形式并無特別限制。該壓電材料可以是例如陶瓷、 粉末、單晶、膜或漿料。該壓電材料優(yōu)選為陶瓷。為了本發(fā)明的目的，術(shù)語"陶瓷"意味著多 晶，即，通過熱處理燒結(jié)的晶粒的聚集體（也稱為塊體），其含有金屬氧化物作為基本成分。 燒結(jié)后處理過的這些材料也稱為陶瓷。
[0055] 通式（1)中，表示A位點(diǎn)中Na的豐度的X可滿足0? 80彡X彡0? 95。如果X小于 0? 80,Na相對于Nb不足并且會產(chǎn)生雜質(zhì)相（具有與Ba4Nb209、Ba6Ti7Nb9042、Ba3Nb4Ti4O2^ Ba3Nb3.2Ti5021的那些相似的X射線衍射圖案的相）。含有許多雜質(zhì)相的金屬氧化物樣品的 電阻率低達(dá)IO7-IO8 D cm并且這樣的金屬氧化物樣品難以極化。
[0056]X超過0. 95時，使壓電性劣化。只要X在0. 80彡X彡0. 95的范圍內(nèi)，就能夠抑制 雜質(zhì)相的產(chǎn)生并且能夠獲得良好的壓電性。更優(yōu)選地，〇. 80 <X< 0. 93。
[0057]通式（1)中，表示B位點(diǎn)中Nb的豐度的y可滿足0.85彡y彡0.95。如果y小于0.85,居里溫度T。變得低于140°C。如果y超過0.95,使壓電性劣化。因此，y在 0. 85 <y< 0. 95的范圍內(nèi)時，獲得140°C以上的居里溫度T。和良好的壓電性。
[0058] 更優(yōu)選地，y在0. 85彡y彡0. 90的范圍內(nèi)，原因在于居里溫度Tj立于約90°C-約 230°C的范圍內(nèi)并且能夠容易地進(jìn)行極化處理。更優(yōu)選地，y在0. 88 <y< 0. 90的范圍內(nèi)， 原因在于居里溫度T。位于約140°C-約210°C的范圍內(nèi)，能夠容易地進(jìn)行極化處理，并且由 在器件制備步驟過程中施加的熱引起的壓電性能的劣化的可能性低。
[0059] 可采用任何方法確定壓電材料的組成。例如，可通過X射線熒光分析、電感耦合等 離子體（ICP)原子發(fā)射光譜或原子吸收光譜確定該組成。能夠采用任何這些方法測定壓電 材料中含有的各個元素的重量比和組成比。
[0060] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的壓電材料含有由通式（1)表示的鈣鈦礦型金屬氧化物 和輔助成分，該輔助成分含有選自Si和B中的至少一種元素。輔助成分的含量為0. 001重 量份-4. 000重量份，更優(yōu)選為0. 003重量份-3. 000重量份，基于金屬計，相對于100重量 份的該鈣鈦礦型金屬氧化物。
[0061] 以下對術(shù)語"基于金屬計"進(jìn)行說明。通過X射線熒光分析（XRF)、ICP原子發(fā)射 光譜、原子吸收光譜等對壓電材料進(jìn)行分析以確定Ba、Na、Ti和Nb的金屬含量，然后由其確 定構(gòu)成由通式（1)表示的金屬氧化物的元素的基于該氧化物的含量。將其合計設(shè)為100并 且將作為一種或多種金屬的輔助成分與1〇〇的合計重量之比設(shè)為"基于金屬計"的輔助成 分的含量。
[0062] 硼⑶和硅（Si)在壓電材料的晶粒之間的界面處離析。這使在晶粒之間的界面中 流過的漏電流減小。因此使絕緣電阻增大。為了增大絕緣電阻，壓電材料中輔助成分含量 優(yōu)選為0. 001重量份以上。而輔助成分含量小于0. 001重量份時，絕緣電阻低，這是不希望 的。壓電材料中輔助成分含量大于4. 000重量份時，使壓電性能劣化。Si含量Gl與B含量 G2之比（G1/G2)可在2. 0彡G1/G2彡3. 8的范圍內(nèi)，原因在于在該范圍內(nèi)時顯示適當(dāng)?shù)慕^ 緣電阻。Si含量可以是0.003重量份-1.000重量份。B含量可以是0.001重量份-1.000 重量份。
[0063] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的壓電材料可含有由上述通式（1)表示的鈣鈦礦型金屬 氧化物、該輔助成分和第二輔助成分，該第二輔助成分含有選自Mn、Cu、Zn和Ni中的至少一 種元素。第二輔助成分含量可以是0. 050摩爾以下，更優(yōu)選為0. 020摩爾以下，相對于1摩 爾的該鈣鈦礦型金屬氧化物。Mn、Cu、Zn和Ni的摩爾含量是指基于金屬計的比例。
[0064] 第二輔助成分中Mn的含量為0. 002摩爾-0. 040摩爾，相對于1摩爾的該鈣鈦礦 型金屬氧化物。在該范圍內(nèi)，使機(jī)械品質(zhì)因數(shù)改善而沒有使壓電常數(shù)劣化。本文中"機(jī)械品 質(zhì)因數(shù)"是指表示將壓電陶瓷形成為振子并且作為振子評價時由振動引起的彈性損耗的因 數(shù)。在阻抗測定中作為共振曲線的銳度觀測到機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的大小。換